[論文レビュー] Constraining Models of Neutrino Mass and Neutrino Interactions with the Planck Satellite

Alexander Friedland, Kathryn M. Zurek+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2007

Neutrino Physics Research被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノが軽いスカラーフィールドに結合し、初期宇宙で自己結合したフラッドを形成するモデルを調査し、WMAPおよびSDSSの宇宙論的データを用いてそのような状況を制約する。本研究では、Planck衛星のデータが顕著な感度向上をもたらし、1体の自己結合ニュートリノですら4.2σで除外可能であり、効果的相対論的自由度の測定精度が1σでΔNν^eff = +0.5/-0.3に達すると示している。

ABSTRACT

In several classes of particle physics models -- ranging from the classical Majoron models, to the more recent scenarios of late neutrino masses or Mass-Varying Neutrinos -- one or more of the neutrinos are postulated to couple to a new light scalar field. As a result of this coupling, neutrinos in the early universe instead of streaming freely could form a self-coupled fluid, with potentially observable signatures in the Cosmic Microwave Background and the large scale structure of the universe. We re-examine the constraints on this scenario from the presently available cosmological data and investigate the sensitivity expected from the Planck satellite. In the first case, we find that the sensitivity strongly depends on which piece of data is used. The SDSS Main sample data, combined with WMAP and other data, disfavors the scenario of three coupled neutrinos at about the 3.5$σ$ confidence level, but also favors a high number of freely streaming neutrinos, with the best fit at 5.2. If the matter power spectrum is instead taken from the SDSS Large Red Galaxy sample, best fit point has 2.5 freely streaming neutrinos, but the scenario with three coupled neutrinos becomes allowed at $2σ$. In contrast, Planck alone will exclude even a single self-coupled neutrino at the $4.2σ$ confidence level, and will determine the total radiation at CMB epoch to $ΔN_ν^{eff} = ^{+0.5}_{-0.3}$ ($1σ$ errors). We investigate the robustness of this result with respect to the details of Planck's detector. This sensitivity to neutrino free-streaming implies that Planck will be capable of probing a large region of the Mass-Varying Neutrino parameter space. Planck may also be sensitive to a scale of neutrino mass generation as high as 1 TeV.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙論的データ（WMAP、SDSS）を用いて、軽いスカラーフィールドを介したニュートリノ自己結合の制約を評価すること。
• 近い将来のPlanck衛星がそのようなニュートリノ相互作用および自己結合フラッド形成に与える感度を評価すること。
• 効果的相対論的自由度（Nν^eff）およびニュートリノ質量生成スケールに与える影響を特定すること。
• 検出器固有の詳細やモデル仮定の変化に対して、Planckの制約がどれほど頑健であるかを検証すること。
• 宇宙論的シグネチャを通じて、質量変動ニュートリノおよびメジャオン型モデルの妥当性を調査すること。

提案手法

• 軽いスカラーフィールドφのsチャネル交換によるニュートリノ-ニュートリノ散乱を分析し、共鳴過程の相対論的ブライト・ウィグナー断面積を用いる。
• 有効場理論のアプローチを用いて、運動量移動率dpT²/dtを計算し、位相空間および熱的分布を組み込む。
• スカラーフィールドの過剰な集積を避ける条件を用い、結合定数gの制限を導出する。これには再結合温度TrecとPlanckスケールMplを用いる。
• 共鳴的生成過程νν→φが効果的相対論的種々数Nν^effに与える影響を評価する。
• 異なるデータセット（SDSSメインサンプル、SDSS LRGサンプル、WMAP）の比較を通じて、一貫性と感度を評価する。
• シミュレートされたCMB非均一性データを用いて、PlanckのNν^effへの期待される精度および自己結合ニュートリノの除外閾値を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙論的データは、軽いスカラーフィールドを介した自己結合ニュートリノフラッドの存在をどの程度制約できるか？
• RQ2 物質パワースペクトルデータの選択（例：SDSSメイン対LRGサンプル）に依存して、自己結合ニュートリノの制約がどの程度変化するか？
• RQ3 Planck衛星は、自己結合ニュートリノの検出または除外にどの程度の感度を達成できるか？
• RQ4 検出器のシステムティクスやモデル仮定の変化に対して、Planckの予測される制約はどの程度頑健か？
• RQ5 Planckは、質量変動ニュートリノモデルのパラメータ空間およびニュートリノ質量生成スケールをどの範囲まで探査できるか？

主な発見

• SDSSメインサンプルとWMAPを組み合わせると、3体の自己結合ニュートリノは約3.5σで否定され、自由に流れ出すニュートリノの最良適合数は5.2に達する。
• SDSS LRGサンプルを用いると、3体の自己結合ニュートリノの状況は2σ未塔に許容されるようになるため、データ選択に強く依存することが示された。
• Planck衛星単体で、1体の自己結合ニュートリノですら4.2σの信頼水準で除外可能であり、現在のデータよりも顕著な感度向上が見込まれる。
• Planckは、CMB時代の効果的相対論的自由度の数を1σでΔNν^eff = +0.5/-0.3の精度で測定できる。
• sチャネル交換による共鳴的ニュートリノ散乱過程νν→φは、結合定数gに対する感度を高め、検出可能な結合強度を低減する。
• スカラーフィールドが過剰に集積せず、BBNやCMBの制約に影響を与えない限り、ニュートリノ質量生成スケールが1 TeVまでにまでモデルは妥当である。